JP7379859B2 - Light sources, projection devices, measurement devices, robots, electronic devices, moving objects, and modeling devices - Google Patents
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Description
本発明は、光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置に関する。 The present invention relates to a light source, a projection device, a measuring device, a robot, an electronic device, a moving object, and a modeling device.
レーザー光源は共振器増幅による高出力化やフォーカスフリーなどLED(Light Emitting Diode)にはない利点を備えており、プロジェクターや距離計測など様々な機器に採用されている。しかしながら、レーザー光の特徴的性質である過干渉性(コヒーレンス)は、照射対象を観察する観察面である眼の網膜やカメラの撮像素子などにスペックルノイズという斑点模様のちらつきを発生させる。スペックルノイズは画質や測定精度に悪影響を及ぼし、レーザー使用上のデメリットとなるため、レーザーを使用する場合にスペックルノイズを低減する必要がある。 Laser light sources have advantages that LEDs (Light Emitting Diodes) do not have, such as high output through resonator amplification and focus-free properties, and are used in various devices such as projectors and distance measurement. However, coherence, which is a characteristic property of laser light, causes a speckled pattern called speckle noise to occur on the retina of the eye and the image sensor of a camera, which are the viewing surfaces for observing the irradiated target. Speckle noise has a negative effect on image quality and measurement accuracy, which is a disadvantage when using a laser, so it is necessary to reduce speckle noise when using a laser.
スペックルノイズを低減する目的で、複数の発光部を有する面発光型半導体レーザーアレイと、複数の発光部を制御して発光パターンを切り替える制御部とを有するレーザー光源について開示したものがある(特許文献1参照)。 For the purpose of reducing speckle noise, a laser light source has been disclosed that has a surface-emitting semiconductor laser array having a plurality of light-emitting sections and a control section that controls the plurality of light-emitting sections and switches the light emission pattern (Patent No. (See Reference 1).
しかしながら、従来はスペックルノイズを低減させる場合、その多くは光源もしくは受光側を工夫することでスペックル模様を変化させ、それらの平均化(重畳)によりノイズ低減する手法であり、顕著な効果を得るには投光部の大型化やシステムの複雑化によるコストアップという問題がある。 However, conventional methods for reducing speckle noise involve changing the speckle pattern by modifying the light source or the light receiving side, and then reducing noise by averaging (superimposing) them. However, there is a problem in that the cost increases due to the enlargement of the light projector and the complexity of the system.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能な光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a light source, a projection device, a measuring device, a robot, and an electronic device that can reduce speckle noise without increasing the size or cost of the light projecting unit. , a moving object, and a modeling device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一実施の形態の光源は、面内に、それぞれ所定の発振波長の光を発する複数の発光素子を有し、前記複数の発光素子の素子配置は、想定する投影領域において、複数の前記発光素子の照射光が重なり合う素子間隔を満たし且つ前記想定する投影領域で得られる前記各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なる素子間隔を満たし、前記発振波長の異なる前記発光素子を少なくとも一つずつ含む発光素子群を前記複数の発光素子の最小単位として、複数の前記最小単位の発光素子群を、同じ発振波長の前記発光素子が周期的な位置をとるように配置され、前記最小単位の発光素子群が有する前記発光素子は、一方に隣接する前記発光素子が発する光の発振波長との波長差が、前記最小単位の発光素子群の有する前記発光素子が発する光の発振波長を波長順となるように配置したときの波長差よりも大きいことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the objects, a light source according to an embodiment of the present invention has a plurality of light emitting elements each emitting light of a predetermined oscillation wavelength in a plane, and the plurality of light emitting elements The element arrangement of the elements is such that in the assumed projection area, the irradiated light of the plurality of light emitting elements satisfies the element spacing that overlaps, and the speckle pattern of each of the irradiated lights obtained in the assumed projection area is different for each irradiated light. A light emitting element group that satisfies the interval and includes at least one light emitting element having a different oscillation wavelength is set as the minimum unit of the plurality of light emitting elements, and a plurality of light emitting element groups of the plurality of minimum units are set as the light emitting elements having the same oscillation wavelength. are arranged so as to take periodic positions, and the light emitting elements included in the minimum unit light emitting element group have a wavelength difference between the oscillation wavelength of the light emitted by the adjacent light emitting element and the light emission wavelength of the minimum unit. It is characterized in that the oscillation wavelength of light emitted by the light emitting elements included in the element group is larger than the wavelength difference when they are arranged in order of wavelength.
本発明によれば、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能になるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to reduce speckle noise without increasing the size or cost of the light projecting section.
以下に添付図面を参照して、光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Embodiments of a light source, a projection device, a measuring device, a robot, an electronic device, a moving object, and a modeling device will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
(第1の実施の形態)
先ず、第1の実施の形態にかかる観察面で発現するスペックルおよびスペックルが解消する原理について説明する。
(First embodiment)
First, the speckles appearing on the observation surface and the principle of eliminating the speckles according to the first embodiment will be explained.
図1は、レーザーのスペックル(スペックルノイズ)の発生原理を示す概念図である。図1(a)には、レーザー光源1000と、スクリーン1001と、カメラ1002とで構成された系を示している。図1(b)には、レーザー光源1000からスクリーン1001へベタ画像を投影した場合においてカメラ1002で観察される観察画像(スペックル画像)1003を示している。この観察画像1003にはカメラ1002の撮像素子上で発現したスペックルが含まれている。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of generation of laser speckles (speckle noise). FIG. 1A shows a system including a laser light source 1000, a
レーザー光源1000からスクリーン1001へベタ画像を投影するとベタ画像を構成する光P1の一部がスクリーン1001の表面内部で多重散乱する。この多重散乱した光はスクリーン1001の表面内部から外部に出てくるが、外部に出てきた散乱光P2はスクリーン1001の表面の不規則性(凹凸)の形状によってランダムな位相成分が付加されている。散乱光P2はレンズなどの光学系を介してカメラ1002の観察面(撮像素子)に収束され、レーザー光がコヒーレント光であることにより散乱光P2が観測面で互いに干渉し重なり合う。その結果、観察面に明るい場所と暗い場所がランダムに出現し、斑点模様のスペックルパターンが観察される。この明暗のチラツキが画質や各種測定に悪影響を与えるノイズ源となっている。この現象は、投光系・被写体・受光系の全ての要素が絡んだ複雑なもので、カメラ1002のレンズや撮像素子の画素サイズなどによって観察されるスペックルパターンは大きく変化する。
When a solid image is projected onto the
図1(b)には、カメラ1002で観察した場合の観察画像1003を示しているが、スクリーン1001に投影したベタ画像をカメラ1002ではなく、レーザーディスプレイなど、人間の目で観察する場合においても網膜上に同じようなスペックルパターンが現れる。
Although FIG. 1B shows an observed image 1003 when observed with the
続いて、スペックルノイズが低減可能であることを定性的に説明する。先ず、スペックルノイズの指標について説明する。次式(1)は、スペックルノイズの指標に用いられるスペックル・コントラスト(Cs)を表す式である。
Cs=σ/S・・・(1)
Next, it will be qualitatively explained that speckle noise can be reduced. First, the index of speckle noise will be explained. The following equation (1) is an equation representing speckle contrast (Cs) used as an index of speckle noise.
Cs=σ/S...(1)
式(1)において、Sはベタ画像を投影したときの撮影画像の平均輝度値、σは標準偏差である。式(1)に示すように、Csは一般的な信号強度を示す信号対雑音比(SNR)の逆数で示される。式(1)のCsが示すコントラスト値が低いほどスペックルノイズが低く、チラツキが少ない画像であることを表す。 In equation (1), S is the average brightness value of the captured image when a solid image is projected, and σ is the standard deviation. As shown in equation (1), Cs is expressed as the reciprocal of the signal-to-noise ratio (SNR), which indicates general signal strength. The lower the contrast value shown by Cs in Equation (1), the lower the speckle noise and the less flickering the image has.
観察面において観察されるスペックルパターンは、投光系・被写体・受光系の全ての要素が絡んだ複雑なものである。一般的に、複数のレーザー光源1000があるとすると、各レーザー光源1000により発現するスペックルパターンは同じではなくランダムなものとなる。したがって、複数のレーザー光源1000を設けてレーザー光源1000ごとに異なるスペックルパターンを生成し、それらのスペックルパターンを観察面に重ね合わせれば、複数のランダムなスペックルパターンにより観察面のスペックルノイズが平均化され、スペックルノイズが低減することになる。 The speckle pattern observed on the observation surface is complex, involving all elements of the light emitting system, object, and light receiving system. Generally, if there are a plurality of laser light sources 1000, the speckle patterns developed by each laser light source 1000 are not the same but random. Therefore, if a plurality of laser light sources 1000 are provided, different speckle patterns are generated for each laser light source 1000, and these speckle patterns are superimposed on the observation surface, the plurality of random speckle patterns will cause speckle noise on the observation surface. are averaged, and speckle noise is reduced.
この考え方に基づきスペックルノイズの平均化と低減との関係について数式(1)をさらに変形する。観察面で重なり合うn枚(ただし、nは自然数)のスペックルパターン(各スペックルパターンの画像をスペックル画像と呼ぶ)について、スペックル画像kの平均輝度をSk、標準偏差をσk、スペックルコントラストをCskとする。この場合において、照射元のレーザー光源1000を同じパワーにすると、各スペックル画像の平均輝度Sk、標準偏差σk、スペックルコントラストCskは等しくなるので、次の式(2)~(4)の関係になると考えることができる。
S1=S2=S3=・・・=Sn=S ・・・(2)
σ1=σ2=σ3=・・・=σn=σ ・・・(3)
Cs1=Cs2=Cs3=・・・=Csn=Cs ・・・(4)
Based on this idea, formula (1) is further modified regarding the relationship between averaging and reduction of speckle noise. For n speckle patterns (where n is a natural number) that overlap on the observation surface (the image of each speckle pattern is called a speckle image), the average brightness of the speckle image k is S k , the standard deviation is σ k , Let the speckle contrast be Cs k . In this case, if the laser light source 1000 as the irradiation source has the same power, the average brightness S k , standard deviation σ k , and speckle contrast Cs k of each speckle image will be equal, so the following equations (2) to (4) ) can be considered to be the relationship.
S1 = S2 = S3 =...= Sn =S...(2)
σ 1 = σ 2 = σ 3 =...=σ n =σ (3)
Cs 1 =Cs 2 =Cs 3 =...=Cs n =Cs...(4)
従って、n枚のスペックル画像を合成した場合の輝度値SSUMは、式(2)の条件を適用すれば次式(5)となる。
SSUM=S1+S2+S3+・・・+Sn=S×n ・・・(5)
Therefore, the brightness value S SUM when n speckle images are combined becomes the following equation (5) by applying the condition of equation (2).
S SUM =S 1 +S 2 +S 3 +...+S n =S×n...(5)
また、標準偏差σSUMに関しては、次の式(6)の分散の加法性を利用することができる。
σSUM
2=σ1
2+σ2
2+σ3
2+・・・+σn
2 ・・・(6)
Further, regarding the standard deviation σ SUM , the additivity of the variance in the following equation (6) can be used.
σ SUM 2 = σ 1 2 +σ 2 2 +σ 3 2 +...+σ n 2 ...(6)
式(6)に式(3)の条件を適用すると次式(7)が得られる。
σSUM=√(σ2×n)=σ√n ・・・(7)
By applying the condition of equation (3) to equation (6), the following equation (7) is obtained.
σ SUM =√(σ 2 ×n)=σ√n...(7)
以上から、n枚のスペックル画像を重ね合わせて観察される観察画像のスペックルコントラスト(CsSUM)は、次の式(8)となる。 From the above, the speckle contrast (Cs SUM ) of an observed image observed by superimposing n speckle images is expressed by the following equation (8).
CsSUM=σ√n/(S×n)=(√n/n)×(σ/S)=1/√n×Cs
・・・(8)
式(8)は、n枚のスペックル画像を平均化することでスペックルコントラストが1/√nに改善(低減)することを示している。従って、計算では、レーザー光源1000がn個の場合にスペックルコントラスト(Cs)が1/√nだけ改善することが期待できる。
Cs SUM =σ√n/(S×n)=(√n/n)×(σ/S)=1/√n×Cs
...(8)
Equation (8) indicates that the speckle contrast is improved (reduced) to 1/√n by averaging n speckle images. Therefore, in the calculation, it can be expected that the speckle contrast (Cs) is improved by 1/√n when the number of laser light sources 1000 is n.
ここで、上記の計算結果を得るには、複数のランダムなスペックルパターンを重ね合わせることが必要であり、つまり各レーザー光源1000により出現するスペックルパターンが異なることが前提になる。この問題は、例えば複数光源角度多重を利用することにより達成することができる。複数光源角度多重は、光源ごとに観測点への光の入射角度を異ならせることにより光源ごとに異なるスペックルパターンを生成する方式でスペックル画像を多重化する。従って、以下では、一例として複数光源角度多重を利用し、その上で上記式(8)を満たす面発光型半導体レーザーの設定について検討する。 Here, in order to obtain the above calculation result, it is necessary to superimpose a plurality of random speckle patterns, that is, it is assumed that the speckle patterns that appear depending on each laser light source 1000 are different. This problem can be achieved, for example, by using multiple source angle multiplexing. Multiple light source angle multiplexing multiplexes speckle images using a method that generates different speckle patterns for each light source by varying the angle of incidence of light on the observation point for each light source. Therefore, below, as an example, angle multiplexing of a plurality of light sources will be used, and the setting of a surface-emitting semiconductor laser that satisfies the above equation (8) will be discussed.
図2は、光源の間隔と観測点への入射角との関係を示す図である。図2に示す系は、カメラ1002、スクリーン1001、およびVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)光源1100により構成されたものを示している。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the interval between light sources and the angle of incidence on an observation point. The system shown in FIG. 2 includes a
VCSEL光源1100は「面発光型半導体レーザー」の一例である。VCSEL光源1100は面内にレーザー光源1000に相当する多数の発光素子1101を有する。ここでは入射角の説明のため、多数の発光素子1101のうちの2つの発光素子1101のみを示している。各発光素子1101はコヒーレントな光を発光する半導体レーザーダイオード等の素子である。
The
スクリーン1001には白色拡散板を使用している。この系では、VCSEL光源1100からスクリーン1001までの距離(LWD)や、VCSEL光源1100の2つの発光素子1101間の距離(D)を変えることで、2つの発光素子1101からスクリーン1001へ入射するそれぞれの光がなす角度θが変化する。例えば、発光素子1101間の距離(D)を大きくするとθが大きくなり、スクリーン1001までの距離(LWD)を大きくするとθは小さくなる。つまりθは、光源の間隔を調整することにより値を変更することができる。
A white diffuser plate is used for the
図3は、発光素子間のピッチ(D)が50μm以下の40cH-VCSEL光源を使用した場合の実験結果を示す図である。各発光素子の発振波長は一律、λ=780nmである。図3には、横軸を点灯光源数(n個)とし、縦軸をスペックルコントラスト(Cs)の変化率として、スペックルノイズの測定結果をプロットした。なお、縦軸は、n=1のときのスペックルパターンをスペックルコントラスト(Cs)の基準とした場合の変化率である。 FIG. 3 is a diagram showing experimental results when a 40 cH-VCSEL light source with a pitch (D) between light emitting elements of 50 μm or less is used. The oscillation wavelength of each light emitting element is uniformly λ=780 nm. In FIG. 3, the measurement results of speckle noise are plotted, with the horizontal axis representing the number of lighting light sources (n) and the vertical axis representing the rate of change in speckle contrast (Cs). Note that the vertical axis represents the rate of change when the speckle pattern when n=1 is used as the standard for speckle contrast (Cs).
図3の破線グラフは、式(8)が示す1/√nの理論値を表す曲線(理論値曲線)グラフである。この測定結果から、点灯光源数が4(つまりn=4)までは理論値の曲線グラフに追従してスペックルコントラスト(Cs)が低下しており、スペックルノイズが低減していることがわかる。しかし、点灯光源数がn=4以降、点灯光源数を4個から順次増やしても、スペックルコントラスト(Cs)はほとんど変わらず、理論値通りにスペックルノイズが低下しない。 The broken line graph in FIG. 3 is a curve (theoretical value curve) representing the theoretical value of 1/√n shown by equation (8). From this measurement result, it can be seen that the speckle contrast (Cs) decreases following the theoretical value curve graph until the number of lighting light sources reaches 4 (that is, n = 4), and the speckle noise is reduced. . However, after the number of lighting light sources is n=4, even if the number of lighting light sources is increased sequentially from 4, the speckle contrast (Cs) hardly changes, and the speckle noise does not decrease as per the theoretical value.
しかし、点灯光源数を40個に増やしても、点灯光源数が4個のときと比べてスペックルコントラスト(Cs)がほとんど変わらず、理論値に対し実際の低減効果は1/3以下に止まる。 However, even if the number of lit light sources is increased to 40, the speckle contrast (Cs) remains almost unchanged compared to when the number of lit light sources is 4, and the actual reduction effect remains at less than 1/3 of the theoretical value. .
この結果から、点灯光源数を単に増やしていくだけではスペックルノイズの低減効果はある程度で止まり、点灯光源数を増やしていってもスペックルノイズの十分な低減を期待することはできないことが分かる。従って、VCSEL光源1100として、単に複数の発光素子が配列されたものを使用するだけではスペックルノイズの低減効果は限定的であることが分かる。
From this result, it can be seen that simply increasing the number of lighting light sources does not reduce the speckle noise to a certain extent, and that even if the number of lighting light sources is increased, sufficient reduction of speckle noise cannot be expected. Therefore, it can be seen that simply using a plurality of light emitting elements arranged as the
そこで、本発明者は、スペックル低減に寄与する発光素子をVCSEL光源1100に効率良く集積する設計について検討した。
Therefore, the present inventor studied a design for efficiently integrating light emitting elements that contribute to speckle reduction into the
実験では、図2に示すVCSEL光源1100の素子間隔(D)を徐々に変えていくことによりθを振る。そして、各θの値において、一つの発光素子と、θに対応する素子間隔の発光素子とを点灯し、スクリーン1001をカメラ1002で撮影する。そして、カメラ1002による撮影画像から、θの値毎に、重なり合うスペックルパターンのスペックルコントラスト(Cs)を測定する。
In the experiment, θ was varied by gradually changing the element spacing (D) of the
図4は、θを変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。図4には、横軸をθとし、縦軸をスペックルコントラスト(Cs)の変化率とした場合の実験結果を示している。 FIG. 4 is a diagram showing an example of experimental results when changing θ. FIG. 4 shows experimental results where the horizontal axis is θ and the vertical axis is the rate of change in speckle contrast (Cs).
図4に示す結果から、θを大きくするほどスペックルコントラスト(Cs)が低下し、およそ0.04~0.05°に達したときに、式(8)により示される理論値1/√2に収束することが分かる。この実験結果から、理論値1/√2に収束するθがあるということが分かる。以下では、この実験結果が示す理論値に収束する設定を、「スペックルノイズの低減効果がある設定」などと総称する。
From the results shown in Figure 4, the speckle contrast (Cs) decreases as θ increases, and when it reaches approximately 0.04 to 0.05°, the
このように、0.04~0.05°という値自体はカメラ1002とスクリーン1001の幾何条件や計測対象の表面粗さなど各種条件により変化するため絶対的な数値ではないが、この実験結果は、VCSEL光源1100を用いて複数光源角度多重によりスペックルノイズの低減効果を得る場合には、対象物との距離なども考慮した上で発光素子1101間の適切な距離を確保する設計レイアウト(素子配置)が必要になることを示唆している。つまり、この実験結果に基づいてVCSEL光源面に発光素子を適切な素子間隔で集積化すれば、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能である。
In this way, the value of 0.04 to 0.05° itself is not an absolute value because it changes depending on various conditions such as the geometric conditions of the
続いて、図4の実験結果に示す「スペックルノイズの低減効果がある設定」に発光素子を集積化したVCSEL光源についてのレイアウト構成の実施例を示す。 Next, an example of a layout configuration of a VCSEL light source in which light emitting elements are integrated in the "setting that has the effect of reducing speckle noise" shown in the experimental results of FIG. 4 will be shown.
(実施例1)
図5は、実施例1に係るVCSELアレイのレイアウト構成の一例を示す図である。図5に示すVCSELアレイ11は、VCSELアレイ面内に100個の面発光の発光素子aを同じ素子間隔である等ピッチで配置したレイアウト構成のものである。
(Example 1)
FIG. 5 is a diagram showing an example of the layout configuration of the VCSEL array according to the first embodiment. The
図5において、発光素子a(X,Y)のXの位置に示す数字は行番号を表し、Yの位置に示す数字は列番号を表す。すなわち、発光素子aの総数は、5行×20列=100個である。なお、端子数には制約があるので、各発光素子aは個別点灯にせず、例えば1、2、9、・・・、100とnの2条ずつ点灯制御する。ただしnの2条ずつとしたのはスペックル低減効果の理論値との比較を容易にするためであり、これに限るものではない。 In FIG. 5, the number shown at the X position of light emitting element a(X, Y) represents the row number, and the number shown at the Y position represents the column number. That is, the total number of light emitting elements a is 5 rows×20 columns=100. Note that since there is a restriction on the number of terminals, each light emitting element a is not individually turned on, but is controlled to turn on in two rows, for example 1, 2, 9, . . . , 100 and n. However, the reason for using two stripes of n each is to facilitate comparison with the theoretical value of the speckle reduction effect, and the present invention is not limited to this.
各発送素子aの素子間隔(ピッチ)は、「スペックルノイズの低減効果がある設定」とするため次の2つの条件を満足する300μmに設定した。なお、300μmは、一例として示すものであり、これに限定するものではない。 The element spacing (pitch) of each sending element a was set to 300 μm, which satisfies the following two conditions, in order to achieve a “setting that is effective in reducing speckle noise”. Note that 300 μm is shown as an example, and is not limited to this.
条件1:想定する投影領域において複数の発光素子の照射光が重なり合う素子間隔 Condition 1: Element spacing so that the irradiated light from multiple light emitting elements overlaps in the assumed projection area
条件1は、例えば想定のスクリーン距離(LWD)および発光素子の放射角(FFP)を考慮した上で、スクリーンの照射領域(投影領域)でVCSELアレイ11の両端の発光素子の光が充分に重なり合うことが条件である。両端の発光素子の光が充分に重なり合っていれば、それらの間にある発光素子の光も充分に重なり合っているはずである。なお、これは配置した全光源を活用する場合の一例であり、上記複数の発光素子のうち、少なくとも隣り合う発光素子の照射光が重なり合う素子間隔であればスペックル低減効果が得られる。
条件2:想定する投影領域で得られる各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なる素子間隔 Condition 2: The element spacing is such that the speckle pattern of each irradiation light obtained in the assumed projection area is different for each irradiation light.
条件2は、例えば想定のスクリーン距離(LWD)で光源多重に必要な各レーザー光のなす角度(θ)が理論値に収束する値を確保できていることを示す条件である。角度(θ)が理論値に収束する値を確保できているということは、すなわち、点灯発光数が増加していっても各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なるという条件が満たされる。 Condition 2 is a condition indicating that, for example, at an assumed screen distance (LWD), the angle (θ) formed by each laser beam necessary for light source multiplexing can be secured to a value that converges to the theoretical value. The fact that the angle (θ) has been secured to a value that converges to the theoretical value means that the condition that the speckle pattern of each irradiation light is different for each irradiation light is satisfied even if the number of lit lights increases. .
図6は、図5に示すVCSELアレイ11を使用して1cH(1つの発光素子)の点灯を行った場合と、100cH全てを点灯した場合とにおけるスペックル撮影画像の一例を示す図である。図6(a)が1cHの点灯を行った場合のスペックル撮影画像であり、図6(b)が100cH全てを点灯した場合のスペックル撮影画像である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a speckle photographed image when 1 cH (one light emitting element) is lit using the
これらの撮影画像を比較すると、1cHを点灯したときの撮影画像に比べて100cHを点灯したときの撮影画像は、明暗のチラツキが劇的に減少しており光源多重によるスペックルノイズ低減効果が効いていることが分かる。 Comparing these images, we can see that the flicker between light and dark in the image taken when 100 cH was turned on was dramatically reduced compared to the image taken when 1 cH was turned on, indicating that the speckle noise reduction effect of light source multiplexing was effective. I can see that
図7は、実施例1に係るVCSELアレイ11を使用した場合のスペックルノイズ低減効果の実験結果を示す図である。図7は、図3に示した40cH-VCSEL光源の実験結果とは異なり、点灯光源数を増やしてもスペックルコントラスト(Cs)は低下を続けて破線の曲線グラフ(理論値)に追従し、理論値に近いスペックルノイズ低減効果が得られる。
FIG. 7 is a diagram showing experimental results of the speckle noise reduction effect when using the
なお、図7において、プロットの実測値と破線の理論値との間に若干の差異があるが、この差異は、撮影画像にカメラ自体の画素バラツキなど全ての変動要因が含まれていることが一因として考えられる。また、点灯光源数を増やしていくと、それらのうちに類似のスペックルパターンが存在している可能性もあり、これも一因として考えられる。若干の差異を正確に測定するには、観察系自体の測定限界があるため微小なスペックルノイズを計測する為の工夫が必要となる。 Note that in Figure 7, there is a slight difference between the measured value plotted and the theoretical value shown by the broken line, but this difference is due to the fact that the captured image includes all fluctuation factors such as the pixel variation of the camera itself. This is thought to be a contributing factor. Furthermore, as the number of lighting light sources increases, there is a possibility that similar speckle patterns exist among them, and this is also considered to be a factor. In order to accurately measure slight differences, it is necessary to devise ways to measure minute speckle noise due to the measurement limits of the observation system itself.
以上の結果から、発光素子の素子間隔を上記条件1および条件2を満たすように適切に設定すれば、VCSEL光源1チップに発光素子を多数設けた場合であっても発光素子の点灯数に応じて理論値1/√nのスペックルノイズ低減効果が得られるという有効性を示すことができた。従ってVCSEL光源の面内に上記条件1および条件2を満たすように発光素子を集積化したものであれば、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能になる。
From the above results, if the element spacing of the light emitting elements is appropriately set to satisfy the
なお、図5に示すレイアウトは一例であり、発光素子の数、開口部の形状、発光素子の配置などをこれに限定するものではない。条件1および条件2を満たせば、発光素子の数、開口部の形状、発光素子の配置などは適宜変形してもよい。
Note that the layout shown in FIG. 5 is an example, and the number of light emitting elements, the shape of the opening, the arrangement of the light emitting elements, etc. are not limited thereto. As long as
(実施例2)
図8は、実施例2に係る異なる発振波長(以下、波長と略す)の発光素子aを有するVCSELアレイのレイアウト構成の一例を示す図である。異なる波長(波長順に、波長λ1、波長λ2、波長λ3、波長λ4、波長λ5)の発光素子aを一次元的に配置したものを示している。
(Example 2)
FIG. 8 is a diagram showing an example of a layout configuration of a VCSEL array having light emitting elements a of different oscillation wavelengths (hereinafter referred to as wavelengths) according to the second embodiment. It shows a one-dimensional arrangement of light emitting elements a of different wavelengths (in order of wavelength, wavelength λ1, wavelength λ2, wavelength λ3, wavelength λ4, wavelength λ5).
スペックルパターンは、レーザーがスクリーンに照射された際に発生する位相の乱れた散乱光が観察面で干渉しあうことで形成される。この散乱光の位相ずれは主にスクリーン表面の起伏(凹凸)による光路長とレーザーの発振波長で決まっている。実施例1の複数光源角度多重では各光源のレーザー光のなす角度θにより光路長を変え散乱光の位相を変えることでスペックルパターンを変化させている。これに対して、この実施例2では、レーザー自体の発振波長を変調することで散乱光の位相を変化させ、変化したスペックルパターンを重畳することでノイズ低減を行っている(波長多重)。よって、異なるスペックルパターンを得るために波長多重を用いた場合は、必ずしも単波長時の条件2を満たす必要が無く、レイアウト上の制約が緩和されるという利点がある。 A speckle pattern is formed when the phase-disturbed scattered light generated when a laser is irradiated onto a screen interferes with each other on the viewing surface. The phase shift of this scattered light is mainly determined by the optical path length due to the undulations (unevenness) of the screen surface and the oscillation wavelength of the laser. In the angle multiplexing of multiple light sources in Example 1, the speckle pattern is changed by changing the optical path length and changing the phase of the scattered light depending on the angle θ formed by the laser beam of each light source. On the other hand, in this second embodiment, the phase of the scattered light is changed by modulating the oscillation wavelength of the laser itself, and noise is reduced by superimposing the changed speckle pattern (wavelength multiplexing). Therefore, when wavelength multiplexing is used to obtain different speckle patterns, it is not necessarily necessary to satisfy Condition 2 for a single wavelength, and there is an advantage that layout constraints are relaxed.
図8では、5個の異なる波長(波長λ1、波長λ2、波長λ3、波長λ4、波長λ5)の発光素子a(発光素子群)を最小単位の1セットとし、全体で10セット分(5種類の波長×10セット=50個)の発光素子aを30μmのピッチで一次元的に配列したレイアウトを示している。 In FIG. 8, one set is a light emitting element a (light emitting element group) with five different wavelengths (wavelength λ1, wavelength λ2, wavelength λ3, wavelength λ4, wavelength λ5), and a total of 10 sets (5 types This shows a layout in which light-emitting elements a (wavelength x 10 sets = 50 pieces) are arranged one-dimensionally at a pitch of 30 μm.
各セット内において発光素子aの並び順は所定の波長順である。つまり、各波長の発光素子aは、周期的に配置されており、各セット間の同一波長の発光素子aのピッチは150μm(30μm×5=150μm)である。なお、この設定は、光源多重によるスペックル低減効果を得るのに150μm以上の素子間ピッチが必要なシステムを前提とした場合のものである。 Within each set, the light emitting elements a are arranged in the order of predetermined wavelengths. That is, the light emitting elements a of each wavelength are arranged periodically, and the pitch of the light emitting elements a of the same wavelength between each set is 150 μm (30 μm×5=150 μm). Note that this setting is based on the assumption that a system requires an inter-element pitch of 150 μm or more in order to obtain the speckle reduction effect by multiplexing light sources.
このようなレイアウトで素子間ピッチを設定することにより、全てのセットに含まれる同一波長の各発光素子aは、複数光源角度多重に必要な素子間ピッチを満たすことで、各セット内の隣接する発光素子a同士は発振波長が異なるため、それぞれ異なるスペックルパターンとなる。従って、実施例2のレイアウトにおいても、発光素子数に応じたスペックルノイズ低減の効果が期待できる。 By setting the inter-element pitch in such a layout, each light-emitting element a of the same wavelength included in all sets satisfies the inter-element pitch required for multiple light source angle multiplexing, and the adjacent light-emitting elements a in each set Since the light emitting elements a have different oscillation wavelengths, they have different speckle patterns. Therefore, even in the layout of Example 2, the effect of reducing speckle noise depending on the number of light emitting elements can be expected.
本実施例のように各発光素子aを50個直線的に一次元的に配列した場合、各発光素子aが単一波長の光源多重では7.35mm(計算式:150μm×(50-1)=7.35mm)が必要だった発光領域が、1.47mm(計算式:30μm×(50-1)=1.47mm)となるため、チップサイズが1/5に小さくなっても同じ1/√50のスペックルコントラスト低減効果が得られる。 When 50 light-emitting elements a are arranged linearly and one-dimensionally as in this example, each light-emitting element a has a single wavelength light source multiplexing, the width is 7.35 mm (calculation formula: 150 μm x (50-1) = 7.35 mm) is now 1.47 mm (calculation formula: 30 μm x (50-1) = 1.47 mm), so even if the chip size is reduced to 1/5, the same 1/ A speckle contrast reduction effect of √50 can be obtained.
なお、図8に示すレイアウトは一例であり、発光素子群が有する発光素子の数、波長の順番、開口部の形状、発光素子群の配置などをこれに限定するものではない。条件1および条件2に加え、波長多重の条件を満たせば、発光素子群が有する発光素子の数、波長の順番、開口部の形状、発光素子群の配置などは適宜変形してもよい。
Note that the layout shown in FIG. 8 is an example, and the number of light emitting elements included in the light emitting element group, the order of wavelengths, the shape of the opening, the arrangement of the light emitting element group, etc. are not limited to this. In addition to
図9はセット内の異なる波長(波長順に、波長λ1、波長λ2、波長λ3、波長λ4、波長λ5)の発光素子の並び順をλ1、λ4、λ2、λ5、λ3と隣り合う波長の発光素子が隣り合う位置にないようにランダムにした例である。この配置にすることで波長順に並べた図8より隣り合う発光素子間の波長差が大きくなため、各発光素子の波長の仕上がりがバラついた場合でも隣り合う発光素子間の波長差を確保することができ、スペックルノイズの低減効果が得られやすい。 FIG. 9 shows the order in which light emitting elements of different wavelengths (wavelength λ1, wavelength λ2, wavelength λ3, wavelength λ4, wavelength λ5) in the set are arranged. This is an example of randomization so that they are not in adjacent positions. With this arrangement, the wavelength difference between adjacent light emitting elements is large as shown in Figure 8, which is arranged in order of wavelength, so even if the wavelength finish of each light emitting element varies, the wavelength difference between adjacent light emitting elements can be ensured. Therefore, it is easy to obtain the effect of reducing speckle noise.
また、素子間の波長差が大きくなるということは、異なるスペックルパターンを得るのに必要な素子間ピッチも小さくなるのでシステムによってはより一層の小型化が期待できる。その他、素子間ピッチを維持した場合でも全体の波長差Δλ(λ1-λ5)を狭めても同じスペックル低減効果が得られるので発光素子が異なる波長の光を発光するための構造を形成するのが容易になる。 Furthermore, as the wavelength difference between elements increases, the pitch between elements necessary to obtain different speckle patterns also decreases, so further miniaturization can be expected depending on the system. In addition, even if the pitch between elements is maintained, the same speckle reduction effect can be obtained even if the overall wavelength difference Δλ (λ1 - λ5) is narrowed, so it is possible to form a structure in which the light emitting elements emit light of different wavelengths. becomes easier.
実施例2についてもVCSEL光源の面内に異なる発振波長の発光素子を集積化することで、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能になるとう効果が得られる。また、異なる波長のレーザーを用いるため、必ずしも単波長時の条件2を満たす必要が無くレイアウト上の制約が緩和される。従って、複数光源角度多重よりも各発光素子を狭い間隔で設けることができるので、集積密度を向上させることができる。集積密度の向上により、チップの小型化や、余った領域が利用できるので設計自由度が増すなど、さらなる効果が期待できる。 In Example 2 as well, by integrating light emitting elements with different oscillation wavelengths within the plane of the VCSEL light source, it is possible to reduce speckle noise without increasing the size or cost of the light projecting section. is obtained. Furthermore, since lasers with different wavelengths are used, it is not necessarily necessary to satisfy Condition 2 for a single wavelength, and layout constraints are relaxed. Therefore, since the light emitting elements can be provided at narrower intervals than when multiple light sources are angularly multiplexed, the integration density can be improved. Further benefits can be expected from improved integration density, such as smaller chips and increased design freedom by making use of extra space.
(実施例3)
図10は、VCSELアレイ11の構成の変形例を示す図である。図10に示すVCSELアレイ11は、複数の発光素子を同時に発光させるように制御されたレイヤーと呼ばれる発光素子群a1を少なくとも1つ以上有する。図10には、発光素子群a1が一次元的に配列された形態のものを示しているが二次元的に配置された構成のものでもよい。各レイヤー222は各々独立に発光タイミングが制御される。
(Example 3)
FIG. 10 is a diagram showing a modified example of the configuration of the
図10に示すレイヤー222において、発光素子a2は十字型に5個配置されている。同一のレイヤー222内において各発光素子a2は同じタイミングで発光するように制御されている。
In the
図10に示す、各レイヤー222のピッチAと、各発光素子a2のピッチ(ピッチBおよびピッチC)は、実施例1の素子間ピッチの条件1および条件2に基づいて設定する。また、各発光素子の発振波長を異ならせる場合は、実施例2の光源を適用する。
The pitch A of each
なお、ここでは、レイヤー222の発光素子a2として十字型に5個配置されているものを示しているが、これに限定するものではない。発光素子a2の数は増減させてもよいし、また、ハニカム構造のようなレイアウトでより多くの発光素子a2を配置してもよい。
Note that although five light emitting elements a2 of the
また、発光素子a2の開口部についても四角形のものを示しているが、六角形など、他の形状であってもよい。 Moreover, although the opening of the light emitting element a2 is shown to be square, it may be of other shapes such as a hexagon.
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態に係る面発光型半導体レーザーを備える投影装置について説明する。
図11は、第2の実施の形態に係る投影装置の構成の一例を示す図である。図11に示す投影装置10は、VCSELアレイ11と、光学系12と、光偏向素子13とを有する。
(Second embodiment)
A projection device including a surface-emitting semiconductor laser according to a first embodiment will be described.
FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of a projection device according to the second embodiment. The
光学系12はレンズにより構成され、VCSELアレイ11の各発光素子から出射する光を光偏向素子13に導く。
The
光偏向素子13は、光学系12からの光を投影領域に投影することにより投影光14を対象15に投影する。
The
図11に示す投影光14は、VCSELアレイ11の各発光素子aのそれぞれの出射光が重なり合っている光で、光偏向素子13のミラー面において偏向され、対象15に投影される。第2の実施の形態でも、想定する投影領域に投影光14を投影することにより、スペックルノイズ低減の効果が得られる。
(光偏向素子)
光偏向素子13は、レーザー光を1軸あるいは2軸方向に走査することができる可動ミラーである。可動ミラーには、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーや、ポリゴンミラーや、ガルバノミラーなどがあるが、レーザー光を1軸あるいは2軸方向に走査することができるものであれば、その他の方式を用いたものでもよい。本実施例では、光学系12により形成されたライン光14を走査範囲中の計測対象15上に一軸走査する可動ミラーを使用する。なお、可動ミラーは、ライン光を光走査することで、2次元面状の投影パターンが形成される。
(light deflection element)
The
図12は、光偏向素子13の一例であるMEMSミラー(MEMSミラースキャナとも言う)の構成の一例を示す図である。図12に示すMEMSミラースキャナは、支持基板131に、可動部132と二組の蛇行状梁部133とを有する。
FIG. 12 is a diagram showing an example of the configuration of a MEMS mirror (also referred to as a MEMS mirror scanner), which is an example of the
可動部132は反射ミラー1320を備えている。二組の蛇行状梁部133はそれぞれ一端が可動部132に連結され、他端が支持基板131により支持されている。二組の蛇行状梁部133はそれぞれミアンダ形状の複数の梁部からなり、共に、第1の電圧の印加により変形する第1の圧電部材1331と、第2の電圧の印加により変形する第2の圧電部材1332とを各梁部に1つおきに有する。第1の圧電部材1331と第2の圧電部材1332と隣り合う梁部ごとに独立に設けられている。二組の蛇行状梁部133はそれぞれ第1の圧電部材1331と第2の圧電部材1332への電圧の印加により変形し、可動部132の反射ミラー1320を回転軸周りに回転させる。
The
具体的には、第1の圧電部材1331と第2の圧電部材1332に逆位相となる電圧を印加し、各梁部に反りを発生させる。これにより、隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積され、二組の蛇行状梁部133に連結する可動部132と共に反射ミラー1320が回転軸を中心に往復回動する。さらに、回転軸を回転中心とするミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第1の圧電部材1331と第2の圧電部材1332とに印加することで、低電圧で非常に大きな回転角度を得ることができる。
Specifically, voltages having opposite phases are applied to the
なお、駆動波形は正弦波に限らない。例えばノコギリ波であってもよい。また、共振モードに限らず、非共振モードで駆動させてもよい。 Note that the drive waveform is not limited to a sine wave. For example, it may be a sawtooth wave. Further, the drive is not limited to the resonant mode, but may be driven in a non-resonant mode.
なお、光偏向素子13は、MEMSミラーに限定されず、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等、光を走査する反射部を有する可動物であればよい。MEMSミラーによれば、小型化・軽量化の点で有利となる。MEMSミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式などいずれであってもよい。
Note that the
(第3の実施の形態)
第1の実施の形態に係る面発光型半導体レーザーを計測装置へ適用した例を示す。ここでは計測装置の一例として、計測対象を計測する3次元計測装置への適用例を示す。
(Third embodiment)
An example in which the surface-emitting semiconductor laser according to the first embodiment is applied to a measuring device will be shown. Here, as an example of a measuring device, an example of application to a three-dimensional measuring device that measures a measurement target will be shown.
図13は、第3の実施の形態に係る計測装置の一例を示す図である。図13に示す計測装置1は、計測情報取得ユニット20と制御ユニット30とを含む。
FIG. 13 is a diagram showing an example of a measuring device according to the third embodiment. The
計測情報取得ユニット20は、投影手段である投影装置10と、撮像手段であるカメラ21とを含む。投影装置10は、VCSELアレイ11と、光学系12と、光偏向素子13とを有する。計測情報取得ユニット20は、制御ユニット30の制御部31の制御に従い、VCSELアレイ11の複数の発光素子aの光を光偏向素子13により偏向させて計測領域に投影する。制御部31は、VCSELアレイ11の各発光素子aの輝度と点灯タイミングを調節することにより、計測領域の全体に所定パターンの投影光14を投影する。例えば発光素子aの点灯および消灯(オン/オフ)を制御することで、白黒のグレイコードパターンなど所望の投影パターンの投影光14を投影する。
The measurement
カメラ21は、投影装置10が計測対象に投影する投影光14の投影中心300が撮像領域40の中心となるように位置および角度が固定されている。これにより、カメラ21は、投影領域を撮像する。
The position and angle of the
カメラ21は、レンズ210や撮像素子211を有する。撮像素子211には、例えばCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサなどを使用する。カメラ21に入射した光は、レンズ210を介して撮像素子211上に結像して光電変換される。撮像素子211で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ21から制御ユニット30の演算処理部32へと出力される。
The
制御ユニット30は、投影装置10によるパターン光の投影制御やカメラ21による撮像制御などを行い、カメラ21が撮像した画像信号に基づいて、計測対象の3次元計測等の演算処理を行う。制御部31は、投影装置10が投影するパターン光を別のパターン光に切り替える制御を行ってもよい。また、制御部31は、演算処理部32が3次元座標の算出に用いるキャリブレーション情報を出力する制御を行ってもよい。
The
制御ユニット30は、計測手段として演算処理部32を有する。演算処理部32は、入力された画像信号に基づいて3次元座標の算出(計測)を行い、3次元形状を取得する。また、演算処理部32は、算出された3次元形状を示す3次元形状情報を制御部31からの指示に従いPC等(不図示)へ出力する。なお、図13には、制御ユニット30に対し1組の計測情報取得ユニット20が取り付けられた構成を示しているが、制御ユニット30に対し複数組の計測情報取得ユニット20を取り付けてもよい。
The
(制御部の機能ブロックの説明)
図14は、計測装置1のブロック構成の一例を示す図である。なお、図14において、既に説明済みの箇所については、同一の符号を付し、適宜詳細な説明を省略する。
(Explanation of functional blocks of control unit)
FIG. 14 is a diagram showing an example of a block configuration of the measuring
図14に示す演算処理部32は、カメラ21から出力された画像信号を解析する。演算処理部32は、画像信号の解析結果と、キャリブレーション情報とを用いた演算処理により、3次元情報の復元処理を行い、これにより対象の3次元計測を実行する。演算処理部32は、復元された3次元情報を制御部31に供給する。
The
制御部31は、システム制御部310と、パターン記憶部311と、光源駆動・検出部312と、光走査駆動・検出部313と、撮像制御部314とを含む。
The
光走査駆動・検出部313は、システム制御部310の制御に従い光偏向素子13を駆動する。システム制御部310は、光偏向素子13の偏向中心に照射された光が測定対象を照射するように、光走査駆動・検出部313を制御する。撮像制御部314は、システム制御部310の制御に従いカメラ21の撮像タイミングや露光量を制御する。
The optical scanning drive/detection section 313 drives the
光源駆動・検出部312は、システム制御部310の制御に従いVCSELアレイ11の各発光素子の点灯および消灯を制御する。
The light source drive/detection unit 312 controls lighting and extinguishing of each light emitting element of the
パターン記憶部311は、例えば、計測装置1の不揮発性の記憶媒体に記憶されている投影画像のパターン情報を読み出す。パターン情報は、投影画像(投影パターン)を形成するためのパターン情報である。パターン記憶部311は、システム制御部310からの指示に従いパターン情報を読み出してシステム制御部310に渡す。システム制御部310は、パターン記憶部311から渡されたパターン情報に基づき光源駆動・検出部312を制御する。
The pattern storage unit 311 reads, for example, pattern information of a projected image stored in a nonvolatile storage medium of the measuring
システム制御部310は、演算処理部32から供給された、復元された3次元情報に基づき、パターン記憶部311に対してパターン情報の読み出しを指示する。システム制御部310は、パターン記憶部311により読み出されたパターン情報に従い光源駆動・検出部312を制御する。
The
また、システム制御部310は、読み出したパターン情報に応じて演算処理部32に対して演算方法を指示する。
Furthermore, the
演算処理部32や、システム制御部310や、撮像制御部314は、CPU(Central Processing Unit)上で動作する計測プログラムにより実現する。具体的に、CPUは、ROM(Read Only Memory)から計測プログラムを読み出して実行することにより、演算処理部32や、システム制御部310や、撮像制御部314を実現する。なお、この実現方法は一例であり、これに限らない。例えば、演算処理部32、システム制御部310、撮像制御部314の、一部または全てを、互いに協働して動作するハードウェア回路により構成してもよい。また、演算処理部32や、システム制御部310や、撮像制御部314に限らず、その他のブロックも計測プログラムにより実現してもよい。
The
第3の実施の形態では、計測装置の各設定を「スペックルノイズの低減効果がある設定」としている。このため、計測対象を撮影した画像においてスペックノイズが低減し、撮影画像の輝度情報を解析する際の計測精度が向上する。 In the third embodiment, each setting of the measuring device is set as "setting that has the effect of reducing speckle noise." Therefore, spec noise is reduced in the image of the measurement target, and measurement accuracy is improved when analyzing the luminance information of the captured image.
(第4の実施の形態)
次に、第4の実施の形態について説明する。第4の実施の形態は、第3の実施の形態に係る計測装置1を、ロボットアーム(多関節アーム)と組み合わせて用いる例である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment is an example in which the
図15は、第4の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。図15には、多関節を有するロボットアームに計測装置1を適用した例を示している。ロボットアーム70は、対象物をピッキングするためのハンド部71を備え、ハンド部71の直近に計測装置1が搭載されている。ロボットアーム70は、それぞれ屈曲可能な複数の可動部を備え、ハンド部71の位置および向きを、制御に従い変更する。
FIG. 15 is a diagram showing an example of the configuration of a robot according to the fourth embodiment. FIG. 15 shows an example in which the
計測装置1は、光の投影方向がハンド部71の向く方向に一致するように設けられ、ハンド部71のピッキング対象15を計測対象として計測する。
The measuring
このように、第4の実施形態では、計測装置1をロボットアーム70に搭載することで、ピッキングの対象物を近距離から計測することができ、カメラ等を用いた遠方からの計測と比較して計測精度の向上が達成できる。例えば、工場の様々な組立てライン等におけるFA(Factory Automation)分野においては、部品の検査や認識等のために、ロボットアーム70等のロボットが利用される。ロボットに計測装置1を搭載することにより、部品の検査や認識を精度よく行うことができるようになる。
As described above, in the fourth embodiment, by mounting the measuring
(第5の実施の形態)
次に、第5の実施の形態について説明する。第5の実施の形態は、第3の実施の形態に係る計測装置1をスマートフォンやPCなどの電子機器に搭載して用いる例である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. The fifth embodiment is an example in which the
図16は、第4の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。スマートフォン80に計測装置1を適用した例を示している。スマートフォン80には計測装置1と使用者の認証機能が搭載されている。使用者の認証機能は、例えば専用のハードウェアにより設けられる。なお、「認証機能部」は、それ専用のハードウェアに限らず、コンピュータ構成のCPUがROMなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにして設けてもよい。計測装置1は、使用者81の顔、耳や頭部の形状などを計測する。この計測結果に基づいて、使用者の認証機能は、使用者81がスマートフォン80に登録された者かを判定する。
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of the configuration of an electronic device such as a smartphone according to the fourth embodiment. An example in which the
このように、第5の実施の形態では、計測装置1をスマートフォン80に搭載することで、高精度に使用者81の顔、耳や頭部の形状などを計測することができ、認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置1をスマートフォン80に搭載しているが、PCやプリンタなどの電子機器に搭載してもよい。また、機能面としても個人認証機能に限らず、顔形状のスキャナなどに用いてもよい。
In this way, in the fifth embodiment, by installing the measuring
(第6の実施の形態)
次に、第6の実施の形態について説明する。第6の実施の形態は、第3の実施の形態に係る計測装置1を、移動体に搭載して用いる例である。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described. The sixth embodiment is an example in which the
図17は、第6の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。自動車に計測装置1を適用した例を示している。自動車車内85には計測装置1と運転支援機能が搭載されている。運転支援機能は、例えば専用のハードウェアにより設けられている。なお、「運転支援部」は、それ専用のハードウェアに限らず、この他、コンピュータ構成のCPUがROMなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにしてもよい。計測装置1は、ドライバー86の顔や姿勢などを計測する。この計測結果に基づいて、運転支援機能は、ドライバー86の状況に応じた適切な支援を行う。
FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of a vehicle according to the sixth embodiment. An example in which the
このように、第6の実施の形態では、計測装置1を自動車に搭載することで、高精度にドライバー86の顔、姿勢などを計測することができ、車内85のドライバー86の状態認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置1を自動車に搭載しているが、電車の車内や飛行機の操縦席(または客席)などに搭載してもよい。また、機能面としてもドライバー86の顔、姿勢などのドライバー86の状態認識に限らず、ドライバー86以外の搭乗者や車内85の様子の認識などに用いてもよい。またドライバー86の個人認証を行い、車のドライバーとして予め登録された者かを判断するといった車のセキュリティに用いてもよい。
As described above, in the sixth embodiment, by mounting the measuring
図18は、第6の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。図18には、自律型の移動体に計測装置1を適用した例を示している。移動体87には計測装置1が搭載されており、移動体87の周囲を計測する。この計測結果に基づいて、移動体87は自身の移動する経路の判断および、机88の位置などの室内89のレイアウトを算出する。
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of the configuration of another moving body according to the sixth embodiment. FIG. 18 shows an example in which the
このように、第6の実施の形態では、計測装置1を移動体87に搭載することで、高精度に移動体87の周辺を計測することができ、移動体87の運転の支援が行える。なお、本実施例では、計測装置1を小型の移動体87に搭載しているが、自動車などに搭載してもよい。また、屋内だけでなく屋外で用いてもよく、建造物などの計測に用いてもよい。
In this manner, in the sixth embodiment, by mounting the measuring
(第7の実施の形態)
次に、第7の実施の形態について説明する。第7の実施の形態は、第3の実施の形態に係る計測装置1を、造形装置に搭載して用いる例である。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment will be described. The seventh embodiment is an example in which the
図19は、第7の実施の形態に係る造形装置の構成の一例を示す図である。図19には、造形装置の一例である3Dプリンタ90のヘッド部91に計測装置1を適用した例を示している。ヘッド部91は、「ヘッド」の一例であり、形成物92を形成するための造形液を吐出するノズル93を有する。計測装置1は、3Dプリンタ90によって形成される形成物92の形状を、形成中に計測する。この計測結果に基づいて、3Dプリンタ90の形成制御が行われる。
FIG. 19 is a diagram showing an example of the configuration of a modeling apparatus according to the seventh embodiment. FIG. 19 shows an example in which the
このように、第7の実施の形態では、計測装置1を3Dプリンタ90に搭載することで、形成物92の形状を形成中に計測することができ、高精度に形成物92を形成できる。なお、本実施例では、計測装置1を3Dプリンタ90のヘッド部91に搭載しているが、3Dプリンタ90内の他の位置に搭載してもよい。
In this manner, in the seventh embodiment, by mounting the measuring
11 VCSELアレイ
a 発光素子
D ピッチ(素子間隔)
LWD 距離
θ 角度
11 VCSEL array a Light emitting element D Pitch (element spacing)
LWD distance θ angle
Claims (12)
前記複数の発光素子の素子配置は、
想定する投影領域において、複数の前記発光素子の照射光が重なり合う素子間隔を満たし且つ前記想定する投影領域で得られる前記各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なる素子間隔を満たし、
前記発振波長の異なる前記発光素子を少なくとも一つずつ含む発光素子群を前記複数の発光素子の最小単位として、複数の前記最小単位の発光素子群を、同じ発振波長の前記発光素子が周期的な位置をとるように配置され、
前記最小単位の発光素子群が有する前記発光素子は、
一方に隣接する前記発光素子が発する光の発振波長との波長差が、前記最小単位の発光素子群の有する前記発光素子が発する光の発振波長を波長順となるように配置したときの波長差よりも大きい
ことを特徴とする光源。 It has a plurality of light emitting elements each emitting light of a predetermined oscillation wavelength in a plane,
The element arrangement of the plurality of light emitting elements is
In the assumed projection area, the irradiated light of the plurality of light emitting elements satisfies an overlapping element interval, and the speckle pattern of each of the irradiated lights obtained in the assumed projection area satisfies a different element interval for each irradiated light,
A light emitting element group including at least one light emitting element each having a different oscillation wavelength is the minimum unit of the plurality of light emitting elements, and a plurality of light emitting element groups of the plurality of minimum units are arranged such that the light emitting elements having the same oscillation wavelength are periodic. arranged to take a position,
The light emitting elements included in the minimum unit light emitting element group are:
The wavelength difference between the oscillation wavelength of the light emitted by the light emitting elements adjacent to one side is the wavelength difference when the oscillation wavelengths of the light emitted by the light emitting elements of the minimum unit light emitting element group are arranged in order of wavelength. greater than
A light source characterized by:
前記発光素子の点灯数の増加と共に前記想定する投影領域で得られるスペックルのコントラストが、異なるスペックルパターンが重なり合った場合に得られるスペックルのコントラストの理論値曲線に追従する素子間隔を満たす
ことを特徴とする請求項1に記載の光源。 The element arrangement of the plurality of light emitting elements is
As the number of light emitting elements increases, the speckle contrast obtained in the assumed projection area satisfies an element spacing that follows a theoretical value curve of speckle contrast obtained when different speckle patterns overlap. The light source according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1に記載の光源。 The light source according to claim 1, wherein an element spacing between light emitting elements having different oscillation wavelengths within the plane is narrower than an element spacing between light emitting elements having the same oscillation wavelength.
ことを特徴とする請求項1乃至4のうちの何れか一項に記載の光源。 The light source according to any one of claims 1 to 4 , wherein the light emitting elements included in the minimum unit light emitting element group are arranged two-dimensionally.
前記光源の前記各発光素子の光を導く光学系と、
前記光学系により導かれた光を前記投影領域に反射する光偏向素子と、
を備える投影装置。 The light source according to any one of claims 1 to 5 ,
an optical system that guides light from each of the light emitting elements of the light source;
a light deflection element that reflects the light guided by the optical system to the projection area;
A projection device comprising:
前記投影領域を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された情報に基づき前記投影領域にある計測対象を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする計測装置。 The projection device according to claim 6 ;
imaging means for imaging the projection area;
Measuring means for measuring a measurement target in the projection area based on information captured by the imaging means;
A measuring device comprising:
前記計測装置を装着した多関節アームと、
を備えることを特徴とするロボット。 A measuring device according to claim 7 ,
a multi-jointed arm equipped with the measuring device;
A robot characterized by being equipped with.
前記計測装置による使用者の計測結果に基づいて使用者の認証を行う認証部と、
を備えることを特徴とする電子機器。 A measuring device according to claim 7 ,
an authentication unit that authenticates a user based on a measurement result of the user by the measuring device;
An electronic device characterized by comprising:
前記計測装置による計測結果に基づいて移動体の運転を支援する運転支援部と、
を備えることを特徴とする移動体。 A measuring device according to claim 7 ,
a driving support unit that supports driving of the mobile object based on measurement results by the measuring device;
A mobile object comprising:
前記計測装置による計測結果に基づいて形成物を形成するヘッドと、
を備えることを特徴とする造形装置。 A measuring device according to claim 7 ,
a head that forms a formed object based on measurement results by the measurement device;
A modeling device characterized by comprising:
前記複数の面発光素子の素子配置は、前記複数の面発光素子のうち、少なくとも隣り合う面発光素子の照射光が重なり合う素子間隔であること、および、前記照射光の照射領域におけるスペックルパターンが前記照射光毎に異なるように前記素子間隔を設定してあること、を満たし、
前記発振波長の異なる前記面発光素子を少なくとも一つずつ含む発光素子群を前記複数の面発光素子の最小単位として、複数の前記最小単位の発光素子群を、同じ前記発振波長の前記面発光素子が周期的な位置をとるように配置され、
前記最小単位の発光素子群が有する前記面発光素子は、
一方に隣接する前記面発光素子が発する光の発振波長との波長差が、前記最小単位の発光素子群の有する前記面発光素子が発する光の発振波長を波長順となるように配置したときの波長差よりも大きい
ことを特徴とする光源。 A light source having a plurality of surface emitting elements each emitting light of a predetermined oscillation wavelength,
The element arrangement of the plurality of surface emitting elements is such that among the plurality of surface emitting elements, the irradiation light of at least adjacent surface emitting elements overlaps, and the speckle pattern in the irradiation area of the irradiation light is The element spacing is set to be different for each of the irradiated lights ,
A light-emitting element group including at least one surface-emitting element having a different oscillation wavelength is the minimum unit of the plurality of surface-emitting elements, and a plurality of light-emitting element groups of the plurality of minimum units are the surface-emitting elements having the same oscillation wavelength. are arranged so that they take periodic positions,
The surface emitting element included in the minimum unit light emitting element group is
When the oscillation wavelengths of light emitted by the surface emitting elements of the minimum unit light emitting element group are arranged in order of wavelength, the difference in wavelength between the oscillation wavelength of light emitted by the surface emitting element adjacent to one side is greater than the wavelength difference
A light source characterized by:
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